Vediamo quali sono le modalità di trasmissione del rumore e quali sono i mezzi per ottenere l’isolamento acustico e maggior comfort a bordo di un’imbarcazione
by Gian Piero Repetti
In Barche di Maggio abbiamo preso in esame le fonti principali del rumore, le cosiddette sorgenti. Come promesso, in questo secondo articolo ci occuperemo di analizzare più in dettaglio le sue modalità di trasmissione e gli strumenti e mezzi per ottenere l’isolamento acustico desiderato.
Come si propagano vibrazioni e rumore?
Consideriamo ad esempio la fonte motore. Questa trasmette rumore e vibrazioni al ricevente per:
• via aerea (attraverso l’aria presente nell’ambiente)
• via strutturale (attraverso le strutture solide che compongono l’imbarcazione).
La via strutturale risulta la più difficile da gestire da un punto di vista vibro-acustico, in quanto la posizione reciproca sorgente-ricevente ha meno rilevanza nel fenomeno di trasmissione rispetto al caso della via aerea. In pratica, la trasmissione per via strutturale permette la propagazione delle vibrazioni in punti anche molto lontani dalla sorgente.
Il motore trasmette vibrazioni a tutto ciò a cui è meccanicamente collegato:
– alle fondazioni
– al riduttore
– alla struttura che sostiene le condotte gas di scarico del motore.
Anche il riduttore, collegato alla fondazione, aggiunge il proprio contributo alla trasmissione di vibrazioni e rumore al sistema. Le fonti eccitano quindi la struttura facendola vibrare, la struttura trasmette le vibrazioni alle componenti circostanti, smorzandone o aumentando le ampiezze.
In altre parole, l’energia acustica generata dalle sorgenti viene trasmessa per via strutturale e arriva al ricevente (noi!) sotto forma di rumore e vibrazione.
La figura a fianco rappresenta la modellizzazione di un corpo umano dove gli organi principali vengono schematizzati con sistemi massa-molla-smorzatore, ciascuno dotato di una frequenza naturale/propria di eccitazione. Per semplificare, quando il nostro corpo viene sottoposto a delle vibrazioni con frequenze paragonabili a quelle proprie, l’organo viene messo ‘in risonanza’, le ampiezze della vibrazione vengono amplificate, causando disagio per l’organo o la parte del corpo interessata.
Frequenza naturale e risonanza
Per spingere una persona sull’altalena, in modo da ottenere un moto sempre più ampio, dobbiamo imprimere all’altalena delle spinte anche piccole, ma sempre sincronizzate con il suo moto: quando l’altalena è tornata indietro al massimo e comincia a tornare in avanti, una piccola spinta ne aumenta l’ampiezza di oscillazione. La risonanza avviene quando un corpo è soggetto a vibrazioni con una frequenza pari a quella naturale/propria del sistema. Quando la frequenza di eccitazione è prossima alla frequenza naturale, il sistema oscilla con un’ampiezza molto grande, limitata unicamente dallo smorzamento del sistema stesso.
Come si isola il rumore?
Il rumore trasmesso per via aerea può essere isolato con dei pannelli, ma per quanto riguarda quello strutturale, per ottenere un risultato efficace, dobbiamo lavorare creando una barriera meccanica alle vibrazioni che sia il più possibile vicino alle fonti, e in ogni direzione ovunque esista un contatto tra fonti e struttura. Tra motore, riduttore o altre macchine rotanti e le rispettive fondazioni, si possono sistemare isolatori o meglio supporti antivibranti, scelti per funzionare correttamente in relazione alla frequenza generata dalle sorgenti. Come abbiamo già visto nel caso del corpo umano, questi supporti saranno definiti attraverso una caratteristica di rigidezza (la molla) e di smorzamento, mentre l’inerzia è identificata attraverso la massa del sistema sospeso (il motore, il riduttore od entrambi). A seconda delle loro proprie caratteristiche e della scelta che si è operata, i supporti elastici hanno il compito di ‘tagliare’ la vibrazione, dissipandone l’energia associata, trasmettendo la vibrazione residua (con un’ampiezza il più possibile ridotta) alla struttura, la quale reagisce in funzione delle sue caratteristiche. Senza addentrarci troppo nella materia, possiamo tenere a mente il concetto generale che, per un migliore isolamento a bordo, è necessario avere supporti antivibranti morbidi, cioè con un basso valore di rigidezza.
Sistema massa-molla-smorzatore
È il modello fisico che permette di schematizzare il comportamento vibratorio di un corpo, attribuendo le caratteristiche di inerzia, rigidezza e smorzamento a tre grandezze:
• la massa rappresenta l’inerzia del sistema
• la molla ne rappresenta la rigidezza, intuitivamente quella caratteristica che percepiamo quando proviamo a ‘tirarla’ o spingerla rispetto alla sua posizione di riposo
• lo smorzatore rappresenta la componente smorzante, quella che ‘dissipa’ l’energia a causa degli attriti e la trasforma in calore.
La gomma morbida, adattandosi ai movimenti della sorgente, non consente al ricevente di avvertirli. Si pensi a un’automobile sportiva, rigida: sentiamo tutte le irregolarità della strada. Questo non succede quando siamo a bordo di un’automobile di lusso che si adegua alla strada con le sue sospensioni morbide. La trasmissione per via strutturale del rumore è influenzata anche dalla rigidezza della struttura (impedenza meccanica) e, proprio a seconda del valore dell’impedenza, i supporti isoleranno o almeno smorzeranno le vibrazioni. In funzione dei criteri progettuali del sistema propulsivo nel suo complesso e degli obiettivi di comfort stabiliti sarà necessario scegliere supporti antivibranti con caratteristiche adeguate.
Facciamo alcuni esempi in primis di soluzioni ‘passive’, che, a seconda della loro complessità, permettono di ottenere diverse soluzioni di isolamento e quindi una diversa qualità di comfort a bordo. Nello schema A (diagram A) sono proposte le soluzioni più semplici e anche meno performanti da un punto di vista di isolamento: la prima, foto 1, in cui solo il motore è sospeso attraverso supporti antivibranti elastici conici, la seconda, foto 2, in cui un sistema flangiato motore riduttore è sospeso semi-elasticamente attraverso supporti elastici per il motore e semielastici per il riduttore; la terza, foto 3, con motore e riduttore montati separatamente, con motore supportato. Nella foto 4, il motore e il riduttore sono flangiati e supportati elasticamente con giunto elastico e giunto reggispinta sulla linea d’asse, che partecipano nella funzione di isolamento; nella foto 5 motore e riduttore in allineamento supportati con antivibranti morbidi adeguati alla fonte che devono isolare; infine nella foto 6, una doppia sospensione elastica che, essendo più morbida rispetto a quella a singolo stadio, è caratterizzata dall’isolamento acustico ottimale.
Teniamo anche presente che lo stato attuale della tecnologia può proporre, in alternativa e per alcuni casi specifici, anche sistemi attivi, con attuatori che hanno la funzione di rispondere le vibrazioni generate dalla sorgente. La parte attiva, per mezzo di attuatori, genera una frequenza in controfase, in grado di contrastare le vibrazioni generate dalla sorgente. Indipendentemente dalla soluzione adottata, è evidente che un residuo di energia vibratoria viene trasmesso alla struttura.
In fase di progetto dovremmo dunque porre attenzione:
• alla progettazione della struttura stessa
• a come isolare una parte della struttura da un’altra.
Ad esempio, ponendo un antivibrante tra puntello e ponte si può creare una barriera alla vibrazione. Lo stesso principio vale se si pensa di isolare la completa sovrastruttura. Sempre sulla stessa linea, un’altra soluzione tipica per gli yachts, schema B (diagram B), è l’applicazione di pavimenti flottanti (pavimenti che vengono appoggiati su supporti elastici o che poggiano su barre gommate).
Rimane comunque basilare il concetto che, per rendere efficace l’effetto di qualsiasi tipo di antivibrante, si deve lavorare in parallelo sulla combinazione struttura della barca/supporto antivibrante. Le caratteristiche di impedenza vengono ottimizzate attraverso sofisticati sistemi di calcolo che possono supportare la progettazione delle strutture (analisi FEM e/o SEA), e sono in grado di prevederne con buona approssimazione il comportamento vibratorio. Riassumendo, il target di comfort ha un enorme impatto sulla progettazione meccanica a bordo, e in particolare sul sistema di propulsione. La soluzione non è unica, dipende dalle caratteristiche della barca, ed è molto importante che si definisca attentamente l’obiettivo, suddividendolo in ulteriori obiettivi intermedi da trattare opportunamente, dando a ciascuno il giusto peso in funzione dei costi in gioco e dell’efficienza che ne risulta. Senza mai dimenticare che il rumore trasmesso per via strutturale rimarrà sempre il problema più gravoso, soprattutto se non analizzato in sede di progettazione. Questo per realizzare il sogno di sempre: navigare in silenzio…
Nel prossimo numero di Barche approfondiremo come sono fatti e come funzionano i supporti antivibranti e i giunti elastici e come vengono selezionati a seconda della configurazione del sistema propulsivo.
Per qualunque domanda, approfondimento, problematica vibroacustica specifica che avete riscontrato in prima persona e che avete piacere di condividere, oltre all’interesse per argomenti specifici che vi piacerebbe affrontassimo, potete scrivere al seguente indirizzo: [email protected]
(La Vibroacustica 2 – Barchemagazine.com – Giugno 2020)
